Hytszzzzz! Zdarzyło się Wam kiedyś strzelić z bicza? Albo przynajmniej widzieć i, co ważniejsze, słyszeć jak zrobił to ktoś inny? Jeśli tak, to na pewno kojarzycie charakterystyczny dźwięk z tym związany. Ale skąd on się bierze? Pozwól, że wyjaśnię!
F-16 na pastwisku
Źródłem efektu jest dokładnie to samo, co w wypadku samolotu naddźwiękowego – bicz porusza się szybciej niż dźwięk. A każdy obiekt, który porusza się szybciej od dźwięku, wywołuje efekt zwany gromem dźwiękowym. Jeśli chcecie, możecie więc bez problemu wywołać grom dźwiękowy we własnej kuchni. Wystarczy wziąć jakąś większą ścierkę do naczyń lub ręcznik, i spróbować nim “strzelić”. Czasem wymaga to nieco ćwiczeń, ale po chwili powinniście usłyszeć charakterystyczny odgłos. I tak, oznacza to, że Wasz ręcznik porusza się z szybkością rzędu kilkuset metrów na sekundę! Jak to możliwe?
Nie chcę Was zmartwić: nie zostaliście super siłaczami. Tak wysoka szybkość wynika po prostu z prawa zachowania energii. Jeśli zastanawiacie się nad tym, jak bicz się porusza, łatwo zauważycie, że przesuwa się po nim “fala”, aż wreszcie dojdzie do końca długości. I jest taki ułamek sekundy, kiedy niemal żaden fragment bicza się nie porusza. Co to dla nas oznacza? Jak być może pamiętacie z lekcji fizyki, fala jest to ruch energii. Energii, którą nadajemy biczowi wykonując ruch ręką. Gdy fala zbliża się do końca bicza, poruszający się obszar staje się coraz mniejszy. Cała energia jest więc skondensowana na coraz mniejszym obszarze. I w końcu zagęszczenie energii jest tak wysokie, że wystarcza jej, żeby koniuszek bicza – drobny kawałek – przekroczył barierę dźwięku. Ale dlaczego wywołuje to taki hałas?
Sonic boom
Grom dźwiękowy, znany chyba bardziej pod angielską nazwą sonic boom, to efekt zbliżony do tego, co możemy zaobserwować na powierzchni wody za motorówką. Jeśli wrzucicie do wody kamień, zobaczycie rozchodzące się od niego fale w kształcie coraz większych okręgów. Podobne fale wywołuje każda łódka, która porusza się po wodzie. Stąd właśnie bierze się tzw. kilwater1Czyli „ślad” na wodzie, jak widać na zdjęciu poniżej, ale również fale, które przemieszczają się przed dziobem naszej łódki. Natomiast interesujący nas efekt zaczyna się pojawiać, gdy łódka płynie szybciej, niż fale przez nią wzbudzane rozchodzą się w wodzie. Można to sobie wytłumaczyć w ten sposób, że woda “nie wie”, że ma się rozejść przed nadpływającym obiektem. Skutek jest taki, że fale, które miały płynąć przed łódką, zamiast tego zostają za łódką i nakładają się na siebie w taki sposób, że powstaje z nich jedna, duża fala.
I tak też działa to w wypadku obiektu poruszającego się w powietrzu. Jedyna różnica polega na tym, że mówiąc o fali mamy w tym przypadku na myśli falę dźwiękową. Ale zasada jest ta sama: powietrze “nie wie”, że powinno się rozstąpić przed nadlatującym samolotem lub końcówką bicza. W związku z tym fale zamiast rozprzestrzeniać się przed obiektem, łączą się w jedną, dużą, silną falę rozchodzącą się już za obiektem. I co istotne: nie mówimy tu o samym momencie przekraczania bariery dźwięku. Ta fala będzie obecna przez cały czas, kiedy obiekt przemieszcza się szybciej niż dźwięk, czyli szybciej niż około 340 metrów na sekundę. Ba, w wypadku niektórych pojazdów, takich jak prom kosmiczny, grom słychać była dwa razy w krótkim odstępie czasu. Pierwszy raz – ten generowany przez dziób, drugi – przez statecznik na ogonie.
Siła grzmotu
Jak silna jest ta fala? Cóż, sam dźwięk może nam dać jakieś pojęcie na ten temat. Bicz jest głośny. Myśliwiec naddźwiękowy jest… bardzo, bardzo głośny. Concorde – jeden z dwóch pasażerskich samolotów naddźwiękowych w historii – był tak głośny, że miał zakaz latania z szybkością ponaddźwiękową nad lądem. Wahania ciśnienia w fali uderzeniowej mogą spokojnie dochodzić do poziomu kilkuset hektopaskali. Efekt jest tak silny, że przy odpowiedniej szybkości i odległości od pędzącego obiektu może być niszczący.
Ba, w czasie Zimnej Wojny Amerykanie mieli plany na militarne zastosowanie tego efektu. Jednym z zadań bombowca B-58 Hustler było właśnie niszczenie wrogiej infrastruktury przy pomocy gromu dźwiękowego. Widzicie, problem z niszczeniem liniowej infrastruktury polegał na tym, że nie tak łatwo było ją trafić2Dziś, dzięki postępowi techniki, to już zupełnie inna rozmowa!, a nawet gdy się trafiło – zniszczenia były punktowe,. Przez to były stosunkowo łatwe do choćby prowizorycznej naprawy czy obejścia przez wojska inżynieryjne. A tymczasem nisko, a szybko lecący bombowiec jest w stanie falą dźwiękową wywołać wystarczająco duże uszkodzenia, i to na długim fragmencie infrastruktury. A to tylko fala dźwiękowa…
Jak przyspieszyć?
Sęk w tym, że zbudowanie maszyny, która przekroczy barierę dźwięku, a mimo to będzie działać, wcale nie jest takie proste. Oczywiście, w wypadku bicza nie jest to duży problem, ale mówimy tu o niewielkim jego kawałku, krótkim czasie, i do tego braku problemów ze sterowaniem czy innymi zaawansowanymi funkcjami. Bo to nie energia jest tutaj jedynym problemem. A zaobserwowano to, gdy samoloty – a właściwie ich fragmenty – przekraczały barierę dźwięku już dawno, jeszcze w czasie drugiej wojny światowej.
Najbardziej znanym przykładem jest brytyjski myśliwiec Supermarine Spitfire, znany wszystkim czytelnikom Dywizjonu 303. Był to jeden z najszybszych drugowojennych samolotów. Miał, jak niemal wszystkie samoloty z tamtego okresu, napęd śmigłowy. Dość prosty – im szybciej kręciło się śmigło, tym szybciej samolot leciał. Sprawiało to, że przy dużych prędkościach końcówki śmigieł poruszały się szybciej niż dźwięk, wywołując tym samym sonic boom. Co gorsza, nagle okazywało się, że opór rósł nieproporcjonalnie do szybkości ruchu śmigieł. Natomiast ciąg przez nie wytwarzany, zamiast rosnąć – malał. Jak się okazało, przy szybkościach zbliżonych do szybkości dźwięku dość drastycznie zmieniają się właściwości powietrza. Oznacza to między innymi, że prawdopodobnie nie da się zbudować samolotu ponaddźwiękowego o napędzie śmigłowym – żeby taki istniał, śmigła musiałyby się poruszać dużo szybciej niż dźwięk3Mówimy tu o sumie ruchu naprzód i dookoła, co by doprowadziło do utraty ciągu… Albo i samych śmigieł.
Próby powietrzne
I tak też kiedyś się zdarzyło, gdy Brytyjczycy próbowali dowiedzieć się więcej o tym, jak samoloty zachowują się w pobliżu bariery dźwięku. W ramach testu Spitfire wzbijał się dość wysoko, rozpędzał, a następnie nurkował pod kątem 45°. Miał on montowane specjalne śmigło, które mogło zmieniać funkcję pomiędzy napędzaniem samolotu a stawianiem oporu. Wszystko po to, by chronić właśnie przed osiągnięciem zbyt dużej szybkości. Ale w czasie jednego z testów silnik odmówił posłuszeństwa, a samolot rozpędził się tak, że śmigło… odpadło. Szczęśliwie dla pilota oznaczało to, że w samolocie środek ciężkości przesunął się do tyłu, a co za tym idzie, maszyna wzniosła się. Gdy pilot odzyskał przytomność4którą stracił w wyniku silnego przeciążenia zorientował się, że wprawdzie nie ma żadnego napędu, ale jest na wysokości około 12 kilometrów, co pozwoliło mu doszybować do lotniska i bezpiecznie wylądować. A po lądowaniu okazało się, że nie tylko śmigło padło ofiarą szybkości 0.92 Macha, do której rozpędził się samolot! Również skrzydła odgięły się nieco do tyłu, co później miało stać się standardem w szybkich samolotach.
Ale skąd było wiadomo, że trzeba ograniczać szybkość? Między innymi z innych doświadczeń z myśliwcami Spitfire, w których przy wysokich szybkościach dochodziło do “odwrócenia” sterów. Otóż opór stawiany przez powietrze przy wysokiej szybkości potrafi być tak duży, że – w odpowiedzi na impuls z drążka sterowego – odginają się nie stery i lotki, ale samo skrzydło. W dodatku odgina się w przeciwną stronę, niż pilot zamierzał. Na podobną, choć nieco inną przypadłość cierpiały japońskie myśliwce Mitsubishi Zero. Przy dużych szybkościach stawały się niesterowne, ponieważ w samolotach tych nie zainstalowano żadnego hydraulicznego wspomagania sterów. Sprawiało to, że niejeden pilot, który zaczął nurkować, nie był w stanie później tego nurkowania przerwać. Finalnie nieszczęśliwie rozbijał się o ziemię. Żeby możliwy był kontrolowany lot ponaddźwiękowy, trzeba było rozwiązać wiele problemów technicznych.
Temperatura
Bo żeby sytuację jeszcze bardziej skomplikować5Najwyraźniej problemy z napędem i sterowaniem to za mało, żebyśmy zrozumieli, że do szybkości ponaddźwiękowych mamy się nie pchać, podróże ponaddźwiękowe wiążą się z dużą ilością ciepła. Mogliście o tym przeczytać, gdy pisaliśmy o powrotach statków kosmicznych z orbity. Wynika to głównie z tego, że powietrze “nie wie”, że musi się rozstąpić przed nadlatującym samolotem. Ulega się sprężeniu – i tym samym podgrzewa się. Statki kosmiczne, które wracają z orbity, rozwiązują ten problem, stosując osłony termiczne. Pomaga w tym też ich kształt, który utrzymuje najgorętsze powietrze z daleka od kadłubów statków. W przypadku samolotów problem jest rzecz jasna dużo mniejszy, bo i mniejsze są szybkości. Jednak rozwiązań ze statków kosmicznych nie zastosujemy tak łatwo. Choćby dlatego, że kształt dzioba, który by utrzymywał gorące powietrze daleko, jeszcze bardziej zwiększy problem z oporami.
Jak więc sobie z tymi (i innymi) problemami poradzono? Dlaczego pasażerskie samoloty ponaddźwiękowe były malowane na biało? Czy uzasadnione było przezywanie radzieckiego Tu-144 “Konkordskij”? I wreszcie – czy lecąc szybciej niż dźwięk, słyszymy własne silniki? Na te pytania, i wiele innych, przeczytacie w następnej części artykułu, kiedy opowiemy Wam bardziej szczegółowo o tym, jak powstał i działał Concorde.
Źródła:
https://science.howstuffworks.com/question73.htm
http://www.aviation-history.com/convair/b58.html
https://www.grahamhoyland.com/can-a-spitfire-break-the-sound-barrier/
Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!